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JPH0778439B2 - How to measure the velocity of a fluid - Google Patents
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JPH0778439B2 - How to measure the velocity of a fluid - Google Patents

How to measure the velocity of a fluid

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JPH0778439B2
JPH0778439B2 JP1158469A JP15846989A JPH0778439B2 JP H0778439 B2 JPH0778439 B2 JP H0778439B2 JP 1158469 A JP1158469 A JP 1158469A JP 15846989 A JP15846989 A JP 15846989A JP H0778439 B2 JPH0778439 B2 JP H0778439B2
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Abstract

A mass flowmeter for measuring velocity of a flowing fluid employs a thermal sensor (11). The sensor (11) generates heat when supplied with electrical power. A heat sink (25) is located in the fluid flow a selected distance normal to the line of flow of fluid from the sensor. Electrical power is supplied to the sensor (11) to cause a thermal flux to flow from the sensor (11) to the heat sink (25). The flowing fluid modulates this flux. A circuit (23) measures the temperature of the sensor and computes the velocity of the flowing fluid from that measurement.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般に、流体流量を測定する装置に関し、そ
して特に、熱流体流量計(thermal fluid flowmeter)
に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to devices for measuring fluid flow, and more particularly to thermal fluid flowmeters.
Regarding

本発明を要約すれば、流れる流体の速度を測定する質量
流量計は温度センサーを使用する。電力を供給されたと
き、センサーは熱を発生する。ヒートシンクが、流れる
流体に直角に、センサーの真向いに流体の流れ中に位置
する。電力がセンサーに供給され、センサーからヒート
シンクに流れる熱束(themal flux)を生じせしめる。
流れる流体はこの束を変調(modulate)させる。回路が
センサーの温度を測定し、そしてその測定値から流れる
流体の速度を計算する。
In summary of the invention, a mass flow meter that measures the velocity of a flowing fluid uses a temperature sensor. When powered, the sensor produces heat. A heat sink is positioned in the fluid flow, perpendicular to the flowing fluid, directly across the sensor. Power is applied to the sensor, causing a thermal flux from the sensor to the heat sink.
The flowing fluid modulates this bundle. The circuit measures the temperature of the sensor and from that measurement calculates the velocity of the flowing fluid.

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 流体の速度を測定するために、多数の異なる形式の流量
計がある。本明細書において使用する用語「流体」は、
液体とガスの流れの両方を意味する。流量計の1つの範
疇は「熱」流量計として公知である。2つの一般形式の
熱流量計がある。
Prior Art and Problems to be Solved There are many different types of flow meters for measuring the velocity of a fluid. The term “fluid” as used herein,
Means both liquid and gas flow. One category of flow meters is known as a "heat" flow meter. There are two general types of heat flow meters.

一方の形式においては、流量管が、測定すべき流体の流
れのための通路と共に使用される。1つ以上の電気加熱
器を、流量管又は検出管内に位置させる。加熱器は、流
体が検出管中を流れるとき、流体に熱を与える。検出管
の異なる2点で温度を測定する。上流点と下流点との間
の温度の差を速度と相関させることができる。
In one form, a flow tube is used with a passage for the flow of fluid to be measured. One or more electric heaters are located in the flow tube or the detection tube. The heater provides heat to the fluid as it flows through the detector tube. The temperature is measured at two different points on the detector tube. The difference in temperature between the upstream and downstream points can be correlated with velocity.

熱質量流量計の第2の範疇においては、加熱器/温度セ
ンサーはブームに位置付けられ、そして流れる流体の流
れの中に沈められる。回路は、質量流体流量の関数とし
て、センサーの温度応答を感知する。
In the second category of thermal mass flowmeter, the heater / temperature sensor is located on the boom and submerged in the flowing fluid stream. The circuit senses the temperature response of the sensor as a function of mass fluid flow rate.

これらの熱流量計の各々は、センサーから流体への熱の
流れる割合が流体の質量流量に正比例するという事実を
共通に有する。これらの従来の熱質量流量計の精度は、
比較的狭い範囲の流れ速度に制限される。低速度におい
ては、精度は、対流と環境への熱の漏れによる擬似的な
熱損失によって制限される。高速度に対しては、精度
は、1つ又は複数のセンサー要素の有限の熱抵抗によっ
て制限される。
Each of these heat flow meters has in common the fact that the rate of heat flow from the sensor to the fluid is directly proportional to the mass flow rate of the fluid. The accuracy of these conventional thermal mass flow meters is
Limited to a relatively narrow range of flow velocities. At low speeds, accuracy is limited by spurious heat losses due to convection and heat leakage to the environment. For high speeds, accuracy is limited by the finite thermal resistance of one or more sensor elements.

広い速度範囲の制限を回避するために、一般的な技術
は、層流要素を含んだ主管を使用することである。これ
らの層流要素は、測定すべき所望の速度範囲に対して、
ある圧力降下を生ずるように配置される。層流要素の上
流と下流の圧力差は測定すべき流体の容積流量に比例す
る。
To avoid wide velocity range limitations, a common technique is to use a main tube containing laminar flow elements. These laminar flow elements are, for the desired velocity range to be measured,
It is arranged to produce a certain pressure drop. The pressure difference upstream and downstream of the laminar flow element is proportional to the volumetric flow rate of the fluid to be measured.

検出管は主管から分岐しそして下流にて再入する。検出
管は加熱要素とセンサーを支持する。主管よりもずっと
少ない流体の流れが検出管を通って流れる。検出管にお
ける流れの速度が測定され、それは、主管を通って流れ
る主速度に比例する。これは実行できるにしても、設計
範囲外の流量は、層流要素を修正することなしに、正確
に測定することができない。
The detector tube branches from the main tube and re-enters downstream. The detector tube supports the heating element and the sensor. Much less fluid flow than the main tube flows through the detection tube. The velocity of the flow in the detector tube is measured, which is proportional to the main velocity flowing through the main tube. While this can be done, flow rates outside the design range cannot be accurately measured without modifying the laminar flow element.

ワチ他による米国特許第4,517,838号(1985年5月21
日)において、熱伝達の事例が示される。この事例にお
いては、検出管内に細い溝が設けられている。流体流量
を測定するために、加熱手段が細い溝に取付けられてい
る。そのような細い溝によって必要とされる検出管の小
さな寸法は、流量計の高い流体速度測定能力をさらに制
限する。
U.S. Pat. No. 4,517,838 (May 21, 1985)
In (Sun), an example of heat transfer is presented. In this case, a narrow groove is provided in the detection tube. Heating means are mounted in the narrow channels to measure the fluid flow rate. The small size of the detector tube required by such a narrow groove further limits the high fluid velocity measurement capability of the flowmeter.

問題点を解決するための手段 本発明においては、センサーは流体の主たる流れの中に
置かれる。電力を供給するときセンサーは熱を発生する
ことができる。ヒートシンクが、流体の流れの方向と直
角に、センサーの真向いに流れる流体中に置かれる。
In the present invention, the sensor is placed in the main flow of fluid. The sensor can generate heat when power is applied. A heat sink is placed in the fluid flowing directly across the sensor, perpendicular to the direction of fluid flow.

センサーに供給する電力は、センサーから、熱を吸収す
るヒートシンクへと流れる熱束を生じさせる。熱束は流
れる流体によって変調される。回路は、センサーの温度
上昇を測定し、そして流れる流体の速度を測定値から計
算する。
The power supplied to the sensor creates a heat flux that flows from the sensor to a heat sink that absorbs heat. The heat flux is modulated by the flowing fluid. The circuit measures the temperature rise of the sensor and calculates the velocity of the flowing fluid from the measured value.

第1図を参照すると、熱源と温度センサーを組み合わせ
た箔片11が示される。センサー11は、断熱材13上に取付
けられる。センサー11は、好ましくは、温度を記録する
ために通常使用される従来形式のものである。第4図に
示すように、それは、カプトン(Kapton)のような材料
の薄い絶縁層又は基板15を有する。基板15は導電性金属
層17で被覆又は積層されている。金属層は波状コイル・
パターン19にエッチングされる。コイル19を生成するた
めに、微細な非常に細い線が金属層17に入れられる。コ
イル19と基板15は平坦な表面である。この一般的な形式
のセンサーは従来から入手可能である。
Referring to FIG. 1, a foil strip 11 combining a heat source and a temperature sensor is shown. The sensor 11 is mounted on the heat insulating material 13. The sensor 11 is preferably of the conventional type commonly used to record temperature. As shown in FIG. 4, it has a thin insulating layer or substrate 15 of a material such as Kapton. The substrate 15 is covered or laminated with a conductive metal layer 17. The metal layer is a wavy coil
Etched in pattern 19. To produce the coil 19, fine very fine wires are put into the metal layer 17. The coil 19 and the substrate 15 have flat surfaces. This common type of sensor is conventionally available.

本発明において、センサー11のコイル19は、第1図に示
すように、センサー11から熱を放射するために電源21に
接続される。電源21はセンサー11のコイル19(第4図)
を流れる直流電力を提供する。センサー11のコイル19は
熱を発生し、熱はセンサーから放射される。測定回路23
は供給された電力を測定し、こうして温度の指示を得
る。
In the present invention, the coil 19 of the sensor 11 is connected to a power source 21 to radiate heat from the sensor 11, as shown in FIG. Power supply 21 is coil 19 of sensor 11 (Fig. 4)
Provides DC power flowing through. The coil 19 of the sensor 11 produces heat, which is emitted from the sensor. Measuring circuit 23
Measures the power supplied and thus obtains an indication of temperature.

ヒートシンク25はセンサー11の真向いに取付けられる。
ヒートシンク25は金属製であり、熱を容易に伝達し、こ
うしてセンサー11で発生した熱を引き付けそして吸収す
る。ヒートシンク25の表面は平坦でありそしてセンサー
11に平行である。流体の流れは、センサー11とヒートシ
ンク25の垂線に垂直である。
The heat sink 25 is attached directly to the sensor 11.
The heat sink 25 is made of metal and transfers heat easily, thus attracting and absorbing the heat generated by the sensor 11. The surface of the heat sink 25 is flat and the sensor
Parallel to eleven. The fluid flow is perpendicular to the normal of sensor 11 and heat sink 25.

挙動を分析しそして記載する目的のために、センサー11
とヒートシンク25の間の有効容積28内に位置する、流体
の増分容積27が示される。以下の定義を設ける。
For the purpose of analyzing and describing behavior, sensors 11
An incremental volume 27 of fluid is shown, located within the effective volume 28 between the heat sink 25 and the heat sink 25. The following definitions are provided.

z=センサー11と増分容積27との間の距離 dz=増分容積27の厚さ A=増分容積27の面積 T0=センサー11の温度 Ta=ヒートシンクと流量計を流れる流体の雰囲気温度 T=増分容積27内の流体の温度 Q=熱量 C=流体の熱容量又は比熱(BTU/lb.F) D=流体の密度(lb/cu.in) K=流体の熱伝導率(BTU in/hr.sq.ft.F) d=微分演算子 t=時間 V=センサー11を通過して流れる流体の1分当たりのフ
ィートを単位とした平均分子速度(fpm) W=センサー11によって流体に供給されたワットを単位
とした電力 一定の流体速度プロファイルが、センサー11とヒートシ
ンク25の間のギャップを横切っていると仮定する。増分
容積27に包含された熱量Q1は、流体の熱容量Cと、流体
の質量(DAdz)と、温度Tに下式のように比例する。
z = distance between sensor 11 and incremental volume 27 dz = thickness of incremental volume 27 A = area of incremental volume 27 T 0 = temperature of sensor 11 T a = ambient temperature of fluid flowing through heat sink and flowmeter T = Temperature of fluid in incremental volume 27 Q = heat quantity C = heat capacity or specific heat of fluid (BTU / lb.F) D = density of fluid (lb / cu.in) K = thermal conductivity of fluid (BTU in / hr. sq.ft.F) d = differential operator t = time V = average molecular velocity in feet per minute (fpm) of fluid flowing through sensor 11 W = supplied to fluid by sensor 11 Power in Watts A constant fluid velocity profile is assumed across the gap between sensor 11 and heat sink 25. The heat quantity Q1 contained in the incremental volume 27 is proportional to the heat capacity C of the fluid, the mass (DAdz) of the fluid, and the temperature T as shown in the following equation.

Q1=CDTAdz 増分容積27における蓄熱率は、dQ1/Dtから、速度Vで流
れる流体によって熱が要素から除去される率を引いた値
であり、下式で表せる。
Q1 = CDTAdz The heat storage rate in the incremental volume 27 is the value obtained by subtracting the rate at which heat is removed from the element by the fluid flowing at the velocity V from dQ1 / Dt, and can be expressed by the following equation.

dQ1/dt =CDAdz(dT/dt)−CDAdz(T−Ta)V =CDAdz[dT/dt−(T−Ta)V] センサー11から増分容積27への熱流量又は熱束の率は、
表面Aの面積と、流体の熱伝導率Kと、温度の外側への
垂直グラジェントdT/dzに比例し、下式で表せる。
dQ1 / dt = CDAdz (dT / dt) -CDAdz (T-T a) V = CDAdz [dT / dt- (T-T a) V] The rate of heat flow or heat flux from the sensor 11 to increment volume 27 ,
It is proportional to the area of the surface A, the thermal conductivity K of the fluid, and the vertical gradient dT / dz to the outside of the temperature, and can be expressed by the following equation.

dQ2/dt=−KAdT/dz 増分容積27から流出する熱流量の率は、下式で表せる。dQ2 / dt = -KAdT / dz The rate of heat flow out of the incremental volume 27 can be expressed by the following equation.

dQ3/dt =dQ2/dt+d/dz(dQ2/dt)dz =−KAdT/dz−d/dz(KAdT/dz)dz 熱の保存により、 dQ2/dt−dQ3/dt=dQ1/dt 従って、 −KAdT/dz+KAdT/dz+d/dz(KAdT/dz)dz =CDAdz[dT/dt−(T−Ta)V] 故に、 d2T/dz2=CD/K[dT/dt−(T−Ta)V] 定常状態においては、dT/dt=0なので、 d2T/dz2=CDV/K(−T+Ta) この微分方程式は、次の境界条件と共に、センサー11と
ヒートシンク25の間の有効容積28内の熱環境を一意的に
記述する。
dQ3 / dt = dQ2 / dt + d / dz (dQ2 / dt) dz = -KAdT / dz-d / dz (KAdT / dz) dz Due to heat storage, dQ2 / dt-dQ3 / dt = dQ1 / dt Therefore, -KAdT / dz + KAdT / dz + d / dz (KAdT / dz) dz = CDAdz [dT / dt− (T−T a ) V] Therefore, d 2 T / dz 2 = CD / K [dT / dt− (T−T a ). V] In the steady state, dT / dt = 0, so d 2 T / dz 2 = CDV / K (−T + T a ). This differential equation, together with the following boundary condition, gives the effective volume between the sensor 11 and the heat sink 25. Uniquely describe the thermal environment within 28.

(1) z=0(センサー11)において、 (a) dT/dz=−(1/KA)(センサー11に供給された電
力) =−W/KA (b) T=T0 (2) z=G(ヒートシンク25表面)において、 T=Ta こうして、有効容積28内の任意の位置zに対する温度を
記述する定常状態方程式は、 z=0におけるセンサーの温度を記述する定常状態方程
式は、 このため、雰囲気を越えるセンサー11の温度上昇TR=T0
−Taは、次のように表現される。
(1) At z = 0 (sensor 11), (a) dT / dz =-(1 / KA) (power supplied to the sensor 11) = -W / KA (b) T = T 0 (2) z = G (heat sink 25 surface), T = T a Thus, the steady state equation describing the temperature for any position z in the effective volume 28 is The steady state equation describing the temperature of the sensor at z = 0 is Therefore, the temperature rise of the sensor 11 beyond the atmosphere TR = T 0
−T a is expressed as follows.

この場合定数1と定数2は、流体の特性のみによって決
定される。この分析において選ばれた測定値のユニット
に対して、 定数1=482.4/K、 定数2=103,000(CD/K) である。
In this case, constant 1 and constant 2 are determined only by the characteristics of the fluid. For the units of measurement chosen in this analysis, constant 1 = 482.4 / K, constant 2 = 103,000 (CD / K).

この方程式は、流体速度に対するTR(流れる流体の雰囲
気温度を超えるセンサー11の温度上昇)の全体変動と感
度が、単にギャップの寸法Gを指定することにより、所
望の流体のタイプ又は速度範囲に対して指定することが
できるという顕著な特性を有する。
This equation shows that the overall variation and sensitivity of TR (temperature rise of sensor 11 above ambient temperature of flowing fluid) with respect to fluid velocity, for a desired fluid type or velocity range, simply by specifying the dimension G of the gap. It has a remarkable property that it can be specified by.

上記の好ましいエッチングされたセンサー11ではなく、
以下に記載する例においては、プロトタイプのセンサー
を使用した。それは、2つの真ちゅう円板の間に挟まれ
た直径0.0018インチ(約0.046mm)のアニールした銅線
を60回巻いたコイルを有する。
Instead of the preferred etched sensor 11 above
A prototype sensor was used in the examples described below. It has a coil of 60 turns of an annealed 0.0018 inch diameter copper wire sandwiched between two brass disks.

実施例1: P=0.4ワット G=0.025インチ(約0.635mm) A=0.3平方インチ(約1.94cm2) 流体のタイプ=標準温度及び圧力の空気 に対して、 V=0fpm(0m/分)におけるTRは、100.5゜F(約55.83
℃) V=20fpm(約6.1m/分)におけるTRは、74.5゜F(約4
1.4℃) V=5000fpm(約1524m/分)におけるTRは、0.8゜F(約
0.44℃)である。
Example 1: P = 0.4 watts G = 0.025 inches (about 0.635 mm) A = 0.3 square inches (about 1.94 cm 2 ) Fluid type = for air at standard temperature and pressure V = 0 fpm (0 m / min) TR at 100.5 ° F (approx. 55.83
TR) at V = 20 fpm (about 6.1 m / min) is 74.5 ° F (about 4
1.4 ° C) TR at V = 5000fpm (about 1524m / min) is 0.8 ° F (about
0.44 ° C).

実施例2: P=2ワット G=0.04インチ(約1.02mm) A=0.3平方インチ(約1.94cm2) 流体のタイプ=水 に対して、 V=0fpm(0m/分)におけるTRは、30.99゜F(約17.22
℃) V=0.1fpm(約3.05cm/分)におけるTRは、21.23゜F
(約11.79℃) V=20fpm(約6.1m/分)におけるTRは、0.7゜F(約0.3
9℃) である。
Example 2: P = 2 watts G = 0.04 inches (about 1.02 mm) A = 0.3 square inches (about 1.94 cm 2 ) Fluid type = for water, TR at V = 0 fpm (0 m / min) is 30.99. ° F (about 17.22
TR) at V = 0.1 fpm (about 3.05 cm / min) is 21.23 ° F
(About 11.79 ° C) TR at V = 20fpm (about 6.1m / min) is 0.7 ° F (about 0.3 ° C)
9 ° C).

これらの両実施例は、本発明の使用により、空気と水の
両方に対して低い流量における利用可能な高い分解能と
共に、高い流量における測定データを獲得する能力を示
す。速度ゼロにおける本発明の有効容積における流体の
平均温度上昇は従来の熱流量計に比較して非常に小さい
ために、姿勢(posture)及び対流の誤差は無視でき
る。
Both of these examples demonstrate the ability to obtain measured data at high flow rates with the use of the present invention, with the high resolution available at low flow rates for both air and water. Posture and convection errors are negligible because the average temperature rise of the fluid in the working volume of the present invention at zero velocity is very small compared to conventional heat flow meters.

第2図の第2の実施態様は、第1図の断熱材表面13によ
る擬似的な熱損失を最小にする方法を示す。第2図にお
いて、センサー29は、第1図のセンサー11と同一である
が、2つのヒートシンク31、33の間に等距離に吊され
る。流体はセンサー29の両側を流れる。ヒートシンクの
表面31、33は、流れる流体の温度と同じ雰囲気温度であ
る。センサー29の両面又は側面の面積は、温度/流体速
度の関係を計算する際に使用される。センサー29の基板
の厚さのために、実質的に等しい熱量がセンサー29から
両方向に流れる。
The second embodiment of FIG. 2 illustrates a method of minimizing spurious heat loss through the insulation surface 13 of FIG. In FIG. 2, the sensor 29 is identical to the sensor 11 of FIG. 1 but is hung at an equal distance between the two heat sinks 31,33. Fluid flows on both sides of sensor 29. The surfaces 31 and 33 of the heat sink have the same ambient temperature as the temperature of the flowing fluid. The area on both sides or sides of the sensor 29 is used in calculating the temperature / fluid velocity relationship. Due to the thickness of the substrate of sensor 29, substantially equal amounts of heat flow from sensor 29 in both directions.

第3図は第3の実施態様を示す。この実施態様において
は、熱束流体流量計に入る流体の変化する温度を補償す
ることができる。この実施態様において、センサー35
は、第1図又は第2図のセンサー11又はセンサー29に類
似する測定又は活動センサーである。センサー35は、2
つのヒートシンク39と41との間に等距離に位置する。
FIG. 3 shows a third embodiment. In this embodiment, varying temperatures of the fluid entering the heat flux fluid flow meter can be compensated. In this embodiment, the sensor 35
Is a measurement or activity sensor similar to sensor 11 or sensor 29 of FIG. 1 or 2. Sensor 35 is 2
Located equidistant between the two heat sinks 39 and 41.

第2のセンサー37が、ヒートシンク41と別のヒートシン
ク43との間に等距離に間隔をあけて配置される。センサ
ー37はセンサー35と同一構造であるが、それは基準セン
サーである。基準センサー37は活動センサー35と同一の
熱特性を有するが、基準センサー37の温度測定を行う際
に使用される電力は、活動センサー35において使用され
る電力の百分の一よりも小さく設定される。この場合、
DTは、活動センサー35の温度から基準センサー37の温度
を引いた値である。
A second sensor 37 is equidistantly spaced between the heat sink 41 and another heat sink 43. Sensor 37 has the same structure as sensor 35, but it is a reference sensor. The reference sensor 37 has the same thermal characteristics as the activity sensor 35, but the power used to make the temperature measurement of the reference sensor 37 is set to be less than one-tenth of the power used in the activity sensor 35. It in this case,
DT is a value obtained by subtracting the temperature of the reference sensor 37 from the temperature of the activity sensor 35.

第3図を更に参照すると、バッテリー45又は直流電源
は、センサー35、37のコイルの一方の側に接続された正
のリード線を有する。活動センサー35は、コイルの他方
の端部を抵抗器47に接続される。1つの実施態様におい
て、抵抗器47は10オームの抵抗器である。基準センサー
37は、他方の側を抵抗器49に接続される。1つの実施態
様において、抵抗器49は200オームの抵抗器である。
Still referring to FIG. 3, the battery 45 or DC power supply has a positive lead connected to one side of the coil of the sensors 35, 37. The activity sensor 35 has the other end of the coil connected to a resistor 47. In one embodiment, resistor 47 is a 10 ohm resistor. Reference sensor
37 is connected on the other side to a resistor 49. In one embodiment, resistor 49 is a 200 ohm resistor.

抵抗器47、49の反対側は、電源45の負の側に接続され
る。電源45の負の側は又、従来のアナログ対デジタル電
圧データ取得システム又はコンバーター51の端子C1に接
続される。A/Dコンバーター51の端子C2は、抵抗器47と
活動センサー35の間に接続される。端子C3はバッテリー
45の正の側に接続される。端子C4は抵抗器49と基準セン
サー37との間に接続される。A/Dコンバーター51は、従
来のコンピュータ53に接続される。A/Dコンバータ51
は、端子C1、C2、C3及びC4においてアナログ電圧を収集
し、そして速度を計算するためにデジタル・データをコ
ンピュータ53に供給する。
The opposite side of resistors 47, 49 is connected to the negative side of power supply 45. The negative side of power supply 45 is also connected to terminal C1 of a conventional analog to digital voltage data acquisition system or converter 51. The terminal C2 of the A / D converter 51 is connected between the resistor 47 and the activity sensor 35. Terminal C3 is battery
Connected to the positive side of 45. The terminal C4 is connected between the resistor 49 and the reference sensor 37. The A / D converter 51 is connected to the conventional computer 53. A / D converter 51
Collects analog voltages at terminals C1, C2, C3 and C4 and provides digital data to computer 53 for speed calculation.

第3図の実施態様において、ヒートシンク39と41との
間、及びヒートシンク41と43との間のギャップは、0.02
5インチ(約0.635mm)となるように選択される。抵抗器
47、49の値は、活動センサー35に対して約0.4ワット、
基準センサー37に対してその値の約百分の一を生じさせ
る。次の方程式は、所望の量を生み出すために、コンピ
ュータ53にプログラムされる。
In the embodiment of FIG. 3, the gap between the heat sinks 39 and 41 and between the heat sinks 41 and 43 is 0.02.
Selected to be 5 inches (about 0.635 mm). Resistor
Values of 47 and 49 are about 0.4 watts for activity sensor 35,
It produces about a hundredth of that value for the reference sensor 37. The following equations are programmed into computer 53 to produce the desired quantity.

活動センサー35の抵抗値: Ra=10(C3−C2)/(C2−C1)[オーム] 活動センサー35に送り出される電力: W=(C3−C2)(C2−C1)/10[ワット] 基準センサー37の抵抗値: Rr=200(C3−C4)/(C4−C1)[オーム] 活動センサー35の雰囲気温度より上の温度: DTa=458.01 (電力を供給されたときのRa−雰囲気温度におけるRa
/(雰囲気温度におけるRa)[゜F] 基準センサー37の雰囲気温度より上の温度: DTa=458.01 (電力を供給されたときのRr−雰囲気温度におけるRr
/(雰囲気温度におけるRr)[゜F] 温度上昇: TR=DTa−DTr[゜F] 一般に、見掛けの流体速度に対する式は、 V=(K/103000CD)[LOG(482.4gw/AKTR)/G] で表される。
Resistance value of the activity sensor 35: Ra = 10 (C3-C2) / (C2-C1) [ohm] Electric power delivered to the activity sensor 35: W = (C3-C2) (C2-C1) / 10 [watt] Resistance value of reference sensor 37: R r = 200 (C3-C4) / (C4-C1) [ohm] Temperature above ambient temperature of activity sensor 35: DT a = 458.01 (R a when power is supplied) -R a at ambient temperature)
/ (R a in ambient temperature) [° F] reference sensor 37 of the ambient temperature than the above temperature: DT a = 458.01 (R r when powered - R r at ambient temperature)
/ (R r at ambient temperature) [° F] Temperature rise: TR = DT a −DT r [° F] Generally, the formula for the apparent fluid velocity is V = (K / 103000CD) [LOG (482.4gw / AKTR ) / G] 2

70゜F(約21.1℃)及び1気圧における空気の熱特性に
対して次の値を使用する。
Use the following values for the thermal properties of air at 70 ° F (about 21.1 ° C) and 1 atmosphere.

C=0.24BTU/1bF D=0.00004641b/cu in K=0.16BTU in/hr sq ft そして流体速度計として本発明の実現のために選ばれた
設計定数は、 A=0.4 sq.in(約2.58cm2) G=0.025in(約0.635mm) プログラムされた特定の見掛けの流体速度方程式は、 V=2230[LOG(188W/TR)] である。
C = 0.24BTU / 1bF D = 0.00004641b / cu in K = 0.16BTU in / hr sq ft And the design constant selected for realizing the present invention as a fluid velocity meter is A = 0.4 sq.in (about 2.58 cm 2 ) G = 0.025 in (about 0.635 mm) The specific apparent fluid velocity equation programmed is V = 2230 [LOG (188W / TR)] 2 .

結果として得られる出力速度は、毎分2フィート(約0.
61m/分)から毎分2000フィート(約610m/分)の範囲に
わたる入力に対して5パーセント以内で直線的であり、
そして本発明のこの実施態様に対するゼロ安定性と姿勢
誤差は、70〜110゜F(約21.1〜43.3℃)の雰囲気温度
範囲にわたってプラス又はマイナス0.5fpm(約0.152/
分)よりも小さい。さらに良い直線性は、粘性又は他の
因子による流体の仮定された一定速度プロファイルから
の偏向と共に活動センサー35の測定可能な直列及び分路
熱インピーダンスのような因子を修正するように、前述
のアルゴリズムを一層洗練することによって得ることが
可能である。
The resulting output speed is 2 feet per minute.
Linear within 5 percent for inputs ranging from 61m / min) to 2000 feet per minute (about 610m / min),
And the zero stability and attitude error for this embodiment of the invention is plus or minus 0.5 fpm (about 0.152 / ° C) over an ambient temperature range of 70-110 ° F (about 21.1-43.3 ° C).
Less than a minute). Even better linearity is the algorithm described above to correct factors such as the measurable series and shunt thermal impedance of the activity sensor 35 along with the deviation from the assumed constant velocity profile of the fluid due to viscosity or other factors. Can be obtained by further refining.

本発明は重要な利点を有する。本発明の熱質量流量計
は、広範囲の流体のタイプと速度の適応を可能にするユ
ニークな熱束変調技術を使用することによって、従来の
質量流量計の高い及び低い速度制限を改良する。
The present invention has important advantages. The thermal mass flow meter of the present invention improves on the high and low speed limits of conventional mass flow meters by using a unique heat flux modulation technique that allows for a wide range of fluid types and speed adaptations.

本発明を3つの形式にて示したが、本発明はそれらに制
限されず、本発明の範囲を逸脱することなしに多様な変
形が可能であることが本技術分野における熟練者には明
らかであろう。
Although the present invention has been shown in three forms, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited thereto and that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Ah

本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。The main features and aspects of the present invention are as follows.

1.流れる流体の速度を測定する質量流量計であって、 流れる流体に置かれるのに適し、電力を供給されたとき
熱を発生することができるセンサーと、 流れる流体に実質的に直角の方向に、センサーからの選
択された距離にて流れる流体に置かれるのに適したヒー
トシンクと、 センサーからヒートシンクへと流れそして流れる流体に
よって変調させられる熱束を生じさせるために、電力を
センサーに供給する手段と、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの温度増加を
測定し、そしてその測定値から流れる流体の速度を計算
する手段との組み合わせを具備する質量流量計。
1. a mass flow meter that measures the velocity of a flowing fluid, is suitable for being placed in a flowing fluid and is capable of producing heat when energized, and a direction substantially perpendicular to the flowing fluid Power to the sensor to produce a heat sink suitable for being placed in the flowing fluid at a selected distance from the sensor, and a heat flux that is modulated by the fluid flowing from and flowing from the sensor to the heat sink A mass flowmeter comprising a combination of means and means for measuring the temperature increase of the sensor over the ambient temperature of the flowing fluid and calculating the velocity of the flowing fluid from the measured value.

2.センサーとヒートシンクは、流れる流体に位置付けら
れたとき、互いに平行な対向する表面を有する上記1に
記載の流量計。
2. The flowmeter of claim 1 wherein the sensor and heat sink have opposing surfaces that are parallel to each other when positioned in the flowing fluid.

3.センサーとヒートシンクは、流れる流体に位置付けら
れたとき、互いに平行な対向する平坦な表面を有する上
記1に記載の流量計。
3. The flowmeter of claim 1 wherein the sensor and heat sink have opposing flat surfaces that are parallel to each other when positioned in the flowing fluid.

4.センサーはコイルを具備し、センサーは、流れる流体
に位置付けられたとき、ヒートシンクに面する平坦な表
面を更に有する上記1に記載の流量計。
4. The flowmeter of claim 1, wherein the sensor comprises a coil, the sensor further having a flat surface facing the heat sink when positioned in the flowing fluid.

5.センサーは、コイルを提供するためにエッチングされ
た金属層を有する基板積層板から成り、コイルは、流れ
る流体に位置付けられたとき、ヒートシンクに面する平
坦な表面を有する上記1に記載の流量計。
5. The sensor comprises a substrate laminate having a metal layer etched to provide a coil, wherein the coil has a flat surface facing a heat sink when positioned in a flowing fluid. Total.

6.流れる体の速度を測定する質量流量計であって、 流量計に取付けられ、そして流れる流体に実質的に直角
方向に位置付けられるのに適した一対の金属製のヒート
シンクと、 ヒートシンクの間で等距離に流量計によって保持され、
ヒートシンクに向かって対向する方向に熱を放射するた
めに各側に放射表面を有し、電力を供給されたとき、放
射表面において熱を発生することができるセンサーと、 センサーの放射表面からヒートシンクに流れそして流れ
る流体によって変調させられる熱束を生じさせるため
に、センサーに電力を供給する手段と、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの放射表面の
温度増加を測定し、そしてその温度測定値に基づいて流
れる流体の速度を計算する手段との組み合わせを具備す
る質量流量計。
6. A mass flowmeter for measuring the velocity of a flowing body, between a pair of metal heatsinks fitted to the flowmeter and suitable for being positioned substantially perpendicular to the flowing fluid, between the heatsinks. Held equidistant by a flow meter,
A sensor that has radiating surfaces on each side for radiating heat in opposite directions towards the heat sink and can generate heat at the radiating surface when powered, and from the radiating surface of the sensor to the heat sink. A means for powering the sensor to produce a heat flux that is modulated by the flowing and flowing fluid, and measuring the temperature increase of the radiating surface of the sensor above the ambient temperature of the flowing fluid, and based on that temperature measurement A mass flow meter comprising a combination with means for calculating the velocity of a flowing fluid.

7.放射表面は平坦であり、そしてヒートシンクは放射表
面に平行な平坦な表面を有する上記6に記載の流量計。
7. A flowmeter according to claim 6, wherein the radiating surface is flat and the heat sink has a flat surface parallel to the radiating surface.

8.センサーは、コイルを形成するためにエッチングされ
た金属層で被覆された基板から成る上記6に記載の流量
計。
8. The flowmeter according to claim 6, wherein the sensor comprises a substrate coated with a metal layer etched to form a coil.

9.流れる体の速度を測定する質量流量計であって、 基準センサー及び活動センサーと、 ここで、各センサーは流れる流体に置かれるのに適し、
各センサーは、対向する方向に熱を放射するために各側
において平坦な放射表面を有し、センサーは、電力を供
給されたとき、放射表面において熱を発生することがで
き、センサーは、流れる流体に実質的に直角な方向に互
いに間隔をあけられ、放射表面は互いに平行であり、 センサーを支持する3つの金属ヒートシンクと、 ここで、ヒートシンクの1つは2つのセンサーの間に位
置付けられ、別のヒートシンクは基準センサーの反対側
に位置付けられ、そして更に別のヒートシンクは活動セ
ンサーの反対側に位置付けられ、ヒートシンクはすべて
平行であり、そして流れる流体の方向に直角な方向に放
射表面の一方から同一距離間隔をあけられ、 活動センサーの放射表面から活動センサーの各側のヒー
トシンクへと流れそして流れる流体によって変調させら
れる熱束を生じさせるために、活動センサーに電力を供
給する手段と、 活動センサーに供給される電力よりも実質的に低いレベ
ルにおいて、基準センサーに電力を供給する手段と、 活動センサーの放射表面と基準センサーの放射表面の温
度を測定し、活動センサーの温度から基準センサーの温
度を引き算し、そして温度差に基づいて流れる流体の速
度を計算する手段との組み合わせを具備する質量流量
計。
9. A mass flowmeter for measuring the velocity of a flowing body, a reference sensor and an activity sensor, each sensor being suitable for being placed in a flowing fluid,
Each sensor has a flat radiating surface on each side to radiate heat in opposite directions, the sensor is capable of producing heat at the radiating surface when energized and the sensor flows. Three metal heat sinks spaced apart from each other in a direction substantially perpendicular to the fluid, the emitting surfaces being parallel to each other, carrying one of the sensors, wherein one of the heat sinks is located between the two sensors, Another heatsink is located on the opposite side of the reference sensor, and yet another heatsink is located on the opposite side of the activity sensor, the heatsinks are all parallel and from one of the emitting surfaces in a direction perpendicular to the direction of the flowing fluid. Fluid that flows and flows from the emitting surface of the activity sensor to the heat sinks on each side of the activity sensor, evenly spaced Means for powering the activity sensor to produce a heat flux that is modulated, and means for powering the reference sensor at a level substantially lower than the power supplied to the activity sensor; Mass flow rate in combination with means for measuring the temperature of the radiating surface of the reference sensor and the radiating surface of the reference sensor, subtracting the temperature of the reference sensor from the temperature of the activity sensor, and calculating the velocity of the flowing fluid based on the temperature difference Total.

10.流れる流体の速度を測定する方法であって、 電力を供給されたとき熱を発生することができるセンサ
ーを流れる流体に配置し、 流れる流体に実質的に直角な方向に、センサーから選択
された距離にてヒートシンクを配置し、センサーからヒ
ートシンクへと流れそして流れる流体によって変調させ
られる熱束を生じさせるために、センサーに電力を供給
し、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの温度上昇を
測定し、そして測定された温度から流れる流体の速度を
計算することから成る方法。
10. A method of measuring the velocity of a flowing fluid, wherein a sensor capable of producing heat when energized is placed in the flowing fluid and selected from the sensors in a direction substantially perpendicular to the flowing fluid. The heat sink at a fixed distance, powering the sensor to create a heat flux that flows from the sensor to the heat sink and is modulated by the flowing fluid and measures the temperature rise of the sensor above the ambient temperature of the flowing fluid. And calculating the velocity of the flowing fluid from the measured temperature.

11.前記センサーの前記第1のヒートシンクとは反対側
であって等距離の位置の、流れる流体に第2のヒートシ
ンクを配置することを更に含む上記10に記載の方法。
11. The method of claim 10 further comprising disposing a second heat sink on the flowing fluid at an equidistant location on the opposite side of the sensor from the first heat sink.

12.前記第2のヒートシンクの前記第1のセンサーとは
反対側の同一距離の位置の、流れる流体に第2のセンサ
ーを配置し、 第2のセンサーの第2ヒートシンクとは反対側の同一距
離の位置の、流れる流体に第3のヒートシンクを配置
し、 第1のセンサーに供給される電力よりもずっと低い率に
て第2のセンサーの電力を供給し、 第2のセンサーの温度を測定し、第1のセンサーの温度
の測定値からその測定値を引き算し、そしてその差を使
用して流れる流体の速度を計算することを更に含む上記
11に記載の方法。
12. A second sensor is disposed on the flowing fluid at a position on the opposite side of the second heat sink opposite to the first sensor, and the same distance on the opposite side of the second sensor from the second heat sink. A third heat sink is placed in the flowing fluid at a position of, and the second sensor is powered at a much lower rate than the power supplied to the first sensor, and the temperature of the second sensor is measured. , Further comprising: subtracting the measurement of the temperature of the first sensor from the measurement and using the difference to calculate the velocity of the flowing fluid.
The method described in 11.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の第1の実施態様の概略図。 第2図は、本発明の第2の実施態様の概略図。 第3図は、本発明の第3の実施態様の概略図。 第4図は、本発明のセンサーの1つを分解形式において
示す概略図。 11、29……センサー 13……断熱材 15……基板 17……金属層 19……コイル 21……電源 23……測定回路 25、31、33……ヒートシンク 27……増分体積 28……有効体積 35……活動センサー 37……基準センサー 45……電源 47、49……抵抗器 51……A/Dコンバーター 53……コンピューター
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of the second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram of a third embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram showing one of the sensors of the present invention in exploded form. 11, 29 …… Sensor 13 …… Insulation material 15 …… Substrate 17 …… Metal layer 19 …… Coil 21 …… Power supply 23 …… Measuring circuit 25,31,33 …… Heat sink 27 …… Incremental volume 28 …… Effective Volume 35 …… Activity sensor 37 …… Reference sensor 45 …… Power supply 47,49 …… Resistor 51 …… A / D converter 53 …… Computer

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電流が流れるときに熱束を放出する、流れ
に接触しているセンサーを具備し、流れの周囲温度を越
える該センサーにおける温度上昇を計算し、温度上昇及
び供給された電力から流れの速度を計算する装置を使用
することによって、流れの速度を測定する方法におい
て、 該装置が、該センサーからの熱束を受け取るように、流
体の流れに接触しており、該センサー(11,19)から離
間しているヒートシンク(25)を具備すること、 該ヒートシンク(25)が、流体の流れに実質的に垂直な
方向で、該センサー(11,19)から予め決められた間隔
を置いて配置されること、 該センサー(11,19)によって生成された熱束が、該セ
ンサー(11,19)から、熱束を吸収する該ヒートシンク
(25)に、実質的に障害なしに、該流体の流れに実質的
に垂直に流れ、該熱束が該流体の流れによって変化せし
められるように、該センサーと該ヒートシンクとの間の
間隔が選択されていることを特徴とする流れの速度を測
定する方法。
1. A method comprising a sensor in contact with a flow, which emits a heat flux when an electric current flows, calculates the temperature rise in the sensor above the ambient temperature of the flow, and calculates from the temperature rise and the power supplied. A method of measuring flow velocity by using a device for calculating flow velocity, wherein the device is in contact with a fluid flow so as to receive heat flux from the sensor, the sensor (11 , 19) spaced from the sensor (11, 19) in a direction substantially perpendicular to the fluid flow. Being placed aside, the heat flux produced by the sensor (11, 19) from the sensor (11, 19) to the heat sink (25) absorbing the heat flux is substantially unimpeded, Substantially perpendicular to the fluid flow Flow, so that the heat flux is made to change by the flow of the fluid, a method that measures the rate of flow, characterized in that spacing between said sensor and said heat sink is selected.
【請求項2】a)各々が流体流れ内に配置されるように
なっている基準センサー(37)及び活動センサー(35)
であって、該センサー(37,35)が、電力が加えられた
ときに、熱束を生成することができ、該センサー(37,3
5)が、該流体の流れの向いている方向の実質的に垂直
な方向において相互に離間している基準センサー(37)
及び活動センサー(35)と、 b)3つのヒートシンク(39,41,43)であって、1つヒ
ートシンク(41)が、該センサー(37,35)の間に位置
しており、他の1つのヒートシンク(43)が、該基準セ
ンサー(37)の対向側に位置し、第3のヒートシンク
(39)が該活動センサー(35)の対向側に位置し、該ヒ
ートシンク(39,41,43)の各々が、該流体の流れの向い
ている方向に実質的に垂直な方向において、隣接するセ
ンサー(37又は35)から実質的に同じ距離離れており、
該活動センサー(35)によって生成された熱束が、該活
動センサー(35)から協働するヒートシンク(41,39)
に実質的に妨害されることなしに、且つ該流体の流れの
向きの線に垂直に流れ、且つ該流体の流れによって変化
せしめられるように、該活動センサー(35)とこれと協
働するヒートシンク(41,39)との間の距離が、選択さ
れている3つのヒートシンク(39,41,43)と を具備することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の方法に使用される熱束測定器。
2. A reference sensor (37) and an activity sensor (35) each adapted to be placed in a fluid flow.
Wherein the sensor (37,35) is capable of producing a heat flux when energized, the sensor (37,3)
5) reference sensors (37) spaced apart from each other in a direction substantially perpendicular to the direction of fluid flow
And an activity sensor (35), and b) three heat sinks (39,41,43), one heat sink (41) being located between the sensors (37,35) and the other one. One heat sink (43) is located on the opposite side of the reference sensor (37), and a third heat sink (39) is located on the opposite side of the activity sensor (35) and the heat sink (39,41,43). Each is substantially the same distance from an adjacent sensor (37 or 35) in a direction substantially perpendicular to the direction of fluid flow,
The heat flux generated by the activity sensor (35) cooperates with the heat sink (41, 39) from the activity sensor (35).
A heat sink cooperating with the activity sensor (35) such that the flow is substantially undisturbed by the flow of the fluid and is perpendicular to the direction of flow of the fluid and is altered by the flow of the fluid. Heat used in the method according to claim 1, characterized in that the distance to (41,39) comprises three selected heat sinks (39,41,43). Bundle measuring instrument.
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